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专利名称：一种宽频带超声波回波信号的重构方法
技术领域：
本发明属于数字信号处理与应用领域，为宽频带超声波回波信号向其他频带(如音频)投影转换提供技术途径。
背景技术：
宽频带超声波信号常见于生物“回声定位”探测系统中。如蝙蝠常使用宽频带超声波(FM波)对前方环境进行探測。许多研究表明，宽频带超声波回波中含有丰富的前方物体的特征。回波信号来回的时间差可以确定目标物的距离，多普勒频移可以传送物体飞 行的速度信息，回波的振幅和延迟指示了物体的大小，回波信号的幅值变化特征掲示了物体三维特征等等。宽频带超声波信号在导盲仪中的应用是其应用的新方向。它可以指导盲人学习生物“回声定位”的原理，丰富的回波信号特征帮助盲人了解前方物体的距离、方位、移动速度、形状等信息。宽频带超声波信号的频率较高(一般在20KHZ-100KHZ)，人耳无法直接听到，故需要对其进行频率变换。例如将频率范围为20KHZ-100KHZ的回波信号变换至0. 2KHZ-10KHZ范围，转换为人耳能够听到的音频范围。同时，一般宽频带超声波回波信号的播放时间较短，人耳很难捕捉其中的特征变化，影响了使用者对不同物体的区分于判断。因此，在对宽频带超声波回波信号进行处理时，回波信号的频率和持续时间都需要做变换。而且能够保持原有回波信号特征(如幅值变化、相位变化、叠加特征等)规律近似不变也是宽频带超声波信号用于导盲的关键。当前，国际上生物声纳研究領域就尚未见能同时在频域和时域实现宽频超声波回波信号转换为人耳直接可用的信号重构方法和技术实现途径。

发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供ー种保存信号原始特征且适应用户转换信号范畴要求的宽频带超声波回波信号向其他频段投影转换的技术途径。实现本发明目的的技术解决方案为一种宽频带超声波回波信号的重构方法，包括以下步骤步骤I、利用多通道带通滤波器组将宽频带超声波回波信号根据重构分辨度条件分解为不同中心频率和有限带宽的原始子信号；步骤2、确定超声波信号到投影信号的投影规则；步骤3、检测每个原始子信号的幅值变化规律、持续时间，之后利用投影方程，按照步骤2的投影规则构造新的子信号；步骤4、对步骤3构造的所有子信号进行合成处理，得到重构的回波信号。本发明与现有技术相比，其显著优点为1)重构后的回波信号保持大部分原始特征(幅值、相位、叠加特征)信息；2)重构后的回波信号的频率带宽和持续时间可根据需求拓宽或延长，提高了回波特征的区分度，可以更好地适应于人耳感知。下面结合附图对本发明作进ー步详细描述。


图I为本发明的宽频带超声波回波信号的重构方法流程图。图2为本发明中发射的宽频带超声波脉冲示例。图3为本发明中的重构前宽频带超声波回波示例。图4为本发明中的原 超声波回波经带通滤波器后第i个子信号示例。图5为本发明中的重构后的宽频带超声波回波信号示例。
具体实施例方式本发明可以将宽频带超声波回波信号保持大部分原始特征(幅值、相位、叠加特征)情况下转换为其他频率段，并改变回波信号的持续时间，以提高回波特征的有效区分度，为宽频带超声波回波信号应用于物体识别、导盲等方面提供了技术途径。结合图1，本发明的一种宽频带超声波回波信号的重构方法，包括以下步骤步骤I、利用多通道带通滤波器组将宽频带超声波回波信号根据重构分辨度条件分解为不同中心频率和有限带宽的原始子信号；步骤2、确定超声波信号到投影信号的投影规则，具体为(I)按照投影规则构造新的子信号的幅值变化规律与原始子信号的幅值变化规律一致，也可以在此基础上按声波传播衰减规律、超声波传感器等硬件引起的波形失真规律对幅值做补偿；(2)新的子信号的持续时间是通过原始子信号持续时间乘以时间变换系数得到；所述各个子信号对应的时间变换系数在同一次重构过程中相同；(3)新的子信号的中心频率Fi是通过原始子信号中心频率も乘以频率变换系数
Ii得到，所述频率变换系数I i由自定义频率转换函数Fi = g(fi)给出し=FiZfi0所述自定义频率转换函数根据用户的需求可以设定为线性函数，即Fi = Ii *も，即各个子信号对应的频率变换系数在同一次重构过程中相同；自定义频率转换函数也可以根据用户对不同频段子信号投影要求为非线性函数，即各个子信号对应的频率变换系数在同一次重构过程中不同。步骤3、检测每个原始子信号的幅值变化规律、持续时间，之后利用投影方程，按照步骤2的投影规则构造新的子信号；所述的每个原始子信号投影方程为式中，Ei (t)为第i个原始子信号投影变换得到的子信号；；Ai⑴为子信号的幅值随时间的变化规律；f*(x)为标准三角函数正弦函数(sin函数)或者余弦函数(cos函数);f/为根据上述规定的投影规则得到新的子信号的中心频率；炉为标准三角函数的初相位；Ti'为根据权利要求2所规定的投影规则得到新的子信号的持续时间；t为时间变量。步骤4、对步骤3构造的所有子信号进行合成处理，得到重构的回波信号。
具体而言，宽频带超声波回波信号的采样频率为Fs，经过多通道带通滤波器组(如ga_atone滤波器组等)分解为多个不同中心频率も和有限带宽的子信号Si (t)。在分解过程中，重构分辨度条件决定了分解后的子信号的带宽和数量，可以由用户需求调节设定。重构分辨度越高，表明分解后得到的子信号数量越多，每个子信号的带宽也就越窄；反正，重构分辨度降低，分解后得到的子信号数量也降低，每个子信号的带宽也相应增加。在此，可以设定原始回波信号经过多通道带通滤波器后被分解为N个子信号。原始子信号的幅值变化规律是通过检测原始子信号中每个波峰或波谷对应的峰值获得，每个峰值按原始时间顺序组成ー个序列Ai (t) = {An，Ai2，-, Aij,…，AiN}，其中Ai (t)表示第i个中心频率为も的原始子信号的幅值变化序列，Au表示在第i个原始子信号中第j个波峰或者波谷对应的峰值。按照投影规则构造新的子信号的幅值变化规律可以与原始子信号的幅值变化规律一致，即投影变换后的子信号的幅值随时间的变化规律为AJt);也可以在AJt)的基础上按声波传播衰减规律、超声波传感器等硬件引起的波形失 真规律对Ai (t)做补偿处理。根据投影规则，新的子信号的持续时间是通过原始子信号的持续时间乘以时间变换系数得到，所述各个子信号对应的时间变换系数在同一次重构过程中相同。该变换关系可用下面公式表示V = Hi-Ti式中，Ti为第i个原始子信号的持续时间；n i为第i个原始子信号时间变换系数；Ti'为第i个原始子对应的适应使用要求的持续时间。由投影规则可知，若原始回波信号被分解为N个不同的子信号，则各个子信号对应的时间变换系数相同rU =あ=…=Hi ニ…=nN。若上述时间变换系数Hi大于I，则表示原始子信号在时间变换时，持续时间被拉长Hi倍。根据投影规则，新的子信号的中心频率是通过原始子信号中心频率も乘以频率变换系数得到。各个子信号对应的频率变换系数在同一次重构过程中可以相同(频率线性变换)，也可以根据用户对不同频段子信号投影要求不同而不同(频率非线性变换)。该变换关系可用下面公式表示f/ =し も式中，も为第i个原始子信号的中心频率；し为第i个原始子信号频率变换系数；f/为第i个原始子信号对应的适应使用要求的频率值。利用标准三角函数(正弦函数、余弦函数)根据适应使用要求的频率值f/、持续时间Ti'、幅值变化规律Ai (t)对原始子信号进行重构。重构方程可以为
Ei(t) = Ai(t) sin(2;r//■ t + ^)),0 < t <1/或者为
Ei (t) = Ai (t) cos(2;r^ + ￠7), 0 < ^ < '式中，Ei (t)为第i个子信号投影变换后的新的子信号。可以看出，新的子信号Ei (t)的频率值为も'，持续时间为Ti'，幅值变换规律为Ai (t)。每个原始子信号Si (t)投影变换后，得到新的子信号Ei (t)后，新的子信号Ei (t)经过合成处理后组合成完整的回波信号。重构后的回波信号与原始信号相比频率成分与持续时间同时发生了改变。该方法保留了原始回波信号的大部分特征，提高了回波信号中幅值变化与频率变化的区分度，可用于声纳回波信号向其他频率范围信号转变(如音频信号)，为宽频带超声波回波信号在物体识别、导盲器材开发等方面的应用提供了技术途径。下面结合两个实施例对本发明做进ー步详细地描述。实施例I为宽频带超声波回波信号非线性重构方法。实施例2为宽频带超声波回波信号线性重构方法。实施例I图2为本发明中发射的宽频带超声波脉冲示例，脉冲的中心频率为50KHZ，频率范围为80KHZ-20KHZ。经物体反射后的回波信号如图3所示，也即为重构前的宽频带超声波回波。它的采样频率为1MHZ，频率范围约为70KHZ-30KHZ，持续时间约为400us。本发明中 的一种宽频带超声波回波信号的重构方法可以使得原始宽频带超声波回波信号(如图3所示)的频率范围非线性转换为337. 5KHZ-16. 25KHZ，持续时间可拉长为原来的5倍。重构后的回波信号经过20KHZ速率的数模转换芯片播放时，可以产生6. 75KHZ-0. 325KHZ、持续时间约为IOOms的音频信号，该音频信号带有原始回波的大部分特征，人类可通过聆听该音频信号识别环境，特别适合于导盲助盲器材的开发。下面详细说明本发明中的一种宽频带超声波回波信号的非线性重构方法的实施步骤。图3为重构前的宽频带超声波回波。首先使用一组带通滤波器(本实施例中使用ga_atone数字带通滤波器组)对图3所示的宽频带超声波回波信号进行分解。其中重构分辨度关系到子信号的数量和带宽，在硬件处理能力的范围内由用户根据情况调节设定。在本实施例中的分辨度设置可为将原始回波信号分解为8个子信号，每个子信号的带宽相等(均为 5KHZ)，中心频率分别为 32. 5KHZ、37. 5KHZ、42. 5KHZ、47. 5KHZ、52. 5KHZ、57. 5KHZ、62. 5KHZ、67. 5KHZ。下面就中心频率为52. 5KHZ的子信号(第5个)的重构过程进行详细描述，其余子信号的重构方法与之类似。图4示例了经过gammatone数字带通滤波器组分解得到的中心频率为f5 =52. 5KHZ的子信号。得到图4示例的子信号后，检测该子信号中的中每个波峰或波谷对应的峰值，并把各峰值按原始时间顺序组成峰值序列A5(t) = (A51, A52,…，A5j’ A5J。如图4所示的中心频率为52. 5KHZ的子信号的各波峰波谷对应峰值组成的峰值序列为A5(t)={0. 08, -I. 5,22. 8, —, 1438,1510,1485. 1，…，305. 7}，其中 0. 08 表示第一个峰值(波峰值)，-7. 5表示第二个峰值(波谷值)，22. 8表示第三个峰值(波峰值)，依次类推。共检测到40个峰值。同吋，检测该子信号的持续时间T5，在本实施例中T5 = 400us。根据投影规则，新的子信号的持续时间是通过原始子信号中信号的持续时间乘以时间变换系数得到，所述各个子信号对应的时间变换系数在同一次重构过程中相同。该变换关系可用下面公式表示T/ = Hi * Ti(I)其中，Ti为第i个子信号的持续时间，Hi为第i个子信号时间变换系数，Ti'为第i个子信号时间变换的結果。在本实施例中，设定所有的子信号的时间变换系数为常数5，即II1= !^=…=Hi= nN = 5，则中心频率为52. 5KHZ的子信号的持续时间由400us延长至 2000us，即 T5' = 2000us。根据投影规则，新的子信号的中心频率是通过原始子信号中心频率も乘以频率变换系数得到，各个子信号对应的频率变换系数在同一次重构过程中可以相同(频率线性变换)，也可以根据用户对不同频段子信号投影要求不同而不同(频率非线性变换)。在本该变换关系可用下面公式表示= I i f i(2)其中，し为第i个子信号频率变换系数，f/为第i个子信号频率变换的結果。频率变换系数し可根据实际需要设定。在该实施例中，频率投影变换为非线性变换，故各个子信号的频率变换系数可以不同。在本实施例中，中心频率为32. 5KHZ的子信号变换系数可设定为0. 5，则投影后的得到的中心频率值约为16. 25KHZ ;中心频率为67. 5KHZ的变换系数可设定为5，则投影后得到的中心频率值约为337. 5KHZ。在32. 5KHZ与67. 5KHZ两者之间的子信号的频率变化系数可在0. 5至5之间设定，这样可以保证最終合成后的回波信号频率大约在337. 5KHZ-16. 25KHZ之间。可以设定中心频率为52. 5KHZ的子信号的频率变换系数15为I. 5，则52. 5KHZ的中心频率变换为78. 75KHZ，即f5' = 78. 75KHZ。利用标准三角函数(如正弦函数、余弦函数等)根据适应使用要求的频率值fV、持续时间Ti'、幅值变化规律Ai (t)对原始子信号进行投影转换。在本实施例中，标准函数方程可以为
Ei (t) = Ai (t) sin(2;r/ ^ + ￠7), 0 < ^ < TJ'(3)其中EJt)为第i个子信号投影转换后的信号。将、(0 = {0. 08,-7.5,22.8,-,1438，1510，1485. 1，—,305. 7}, T5' = 2000us，f5' = 78. 75KHZ，炉=0，带入式(3)，则可以得到第5个子信号投影转换后的子信号。新的子信号E5(t)的频率值为78. 75KHZ，持续时间为2000US，幅值随时间的变化规律与原始子信号S5 (t)保持一致。每个子信号Si (t)经投影转换后，得到新的子信号Ei (t)后，这些重构后的子信号经过合成处理后可以得到完整的回波信号。本实施例中的合成处理使用的是简单的加法运算，即将所有投影转换的子信号进行代数相加E(t) = YjEXtX
i=\式中，E(t)为重构后的完整回波信号；Ei (t)为第i个子信号投影变换后的新的子信号；N表示共有N个子信号，在本实施例中，N = 8 ;得到的重构后的完整回波信号E(t)如图5所示。图5所示的回波信号的频率范围大致为337. 5KHZ-16. 25KHZ，持续时间约为2ms，采样频率为1MHZ，该信号经过20KHZ速率的数模转换芯片播放时，可以产生6. 75KHZ 0. 325KHZ、持续时间约为IOOms的音频信号，该音频信号带有原始回波的幅值、相位等大部分特征，且频率范围广、持续时间长，可以帮助人类像蝙蝠一祥通过耳朵感知世界，特别适合于声纳导盲器材的开发。实施例2下面详细说明本发明中的一种宽频带超声波回波信号的线性重构方法的实施步骤。
图3为重构前的宽频带超声波回波。首先使用一组带通滤波器(本实施例中使用ga_atone数字带通滤波器组)对图3所示的宽频带超声波回波信号进行分解。其中重构分辨度关系到子信号的数量和带宽，在硬件处理能力的范围内由用户根据情况调节设定。在本实施例中的分辨度设置可为将原始回波信号分解为8个子信号，每个子信号的带宽相等(均为 5KHZ)，中心频率分别为 32. 5KHZ、37. 5KHZ、42. 5KHZ、47. 5KHZ、52. 5KHZ、57. 5KHZ、62. 5KHZ、67. 5KHZ。下面就中心频率为52. 5KHZ的子信号(第5个)的重构过程进行详细描述，其余子信号的重构方法与之类似。图4示例了经过ga_atone数字带通滤波器组分解得到的中心频率为f5 =52. 5KHZ的子信号。得到图4示例的子信号后，检测该子信号中的中每个波峰或波谷对应的峰值，并把各峰值按原始时间顺序组成峰值序列A5(t) = (A51, A52,…，A5j’ A5J。如图4所示的中心频率为52. 5KHZ的子信号的各波峰波谷对应峰值组成的峰值序列为A5(t)={0. 08, -I. 5,22. 8, —, 1438,1510,1485. 1，…，305. 7}，其中 0. 08 表示第一个峰值(波峰值)，-7. 5表示第二个峰值(波谷值)，22. 8表示第三个峰值(波峰值)，依次类推。共检测到40个峰值。同时，检测回波信号的持续时间T5，在本实施例中T5 = 400us。根据投影规则，新的子信号的持续时间是通过原始子信号中信号的持续时间乘以时间变换系数得到，所述各个子信号对应的时间变换系数在同一次重构过程中相同。该变换关系可用下面公式表示T/ = Hi * Ti(I)其中，Ti为第i个子信号的持续时间，Hi为第i个子信号时间变换系数，Ti'为第i个子信号时间变换的結果。在本实施例中，设定所有的子信号的时间变换系数为常数5，即II1=ら=…=Hi= Hn = 5，则中心频率为52. 5KHZ的子信号的持续时间由400US延长至 2000us，即 T5' = 2000us。根据投影规则，新的子信号的中心频率是通过原始子信号中心频率も乘以频率变换系数得到，各个子信号对应的频率变换系数在同一次重构过程中可以相同(频率线性变换)，也可以根据用户对不同频段子信号投影要求不同而不同(频率非线性变换)。该变换关系可用下面公式表示f/ = I i * fi(2)其中，し为第i个子信号频率变换系数，f/为第i个子信号频率变换的結果。频率变换系数し可根据实际需要设定。宽频带超声波回波信号线性重构时，即各个子信号的频率变换系数相同设定し=I2=...= Ii= I N = 0. 02。中心频率为32. 5KHZ的子信号投影转换得到的中心频率值约为0. 65KHZ ;中心频率为67. 5KHZ投影转换后得到的中心频率值约为I. 35KHZ ;中心频率为52. 5KHZ的子信号投影转换后得到的中心频率值约为 I. 05KHZ，SP f5' =1.05KHZ。利用标准三角函数(如正弦函数、余弦函数等)根据适应使用要求的频率值fV、持续时间Ti'、幅值变化规律Ai (t)对原始子信号进行投影转换。在本实施例中，标准函数方程可以为
Ei (t) = Ai (t) sin(2;r/ ^ + ￠7), 0 < ^ < TJ'(3)
其中EJt)为第i个子信号投影转换的信号。将、(0 = {0. 08,-7.5,22.8,…，1438，1510，1485. 1，—,305. 7}, T5' = 2000us，f5' = I. 05KHZ，炉=0，带入式(3)，则可以得到第5个子信号投影转换后的子信号。每个子信号Si (t)经投影转换后，得到新的子信号Ei (t)后，这些新的子信号经过合成处理后可以得到完整的回波信号。本实施例中的合成处理使用的是简单的加法运算，即将所有新的子信号进行代数相加
权利要求
1.一种宽频带超声波回波信号的重构方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、利用多通道带通滤波器组将宽频带超声波回波信号根据重构分辨度条件分解为不同中心频率和有限带宽的原始子信号； 步骤2、确定超声波信号到投影信号的投影规则； 步骤3、检测每个原始子信号的幅值变化规律、持续时间，之后利用投影方程，按照步骤2的投影规则构造新的子信号； 步骤4、对步骤3构造的所有子信号进行合成处理，得到重构的回波信号。
2.根据权利要求I所述的宽频带超声波回波信号的重构方法，其特征在于，步骤2超声波信号到投影信号的投影规则具体为 (1)按照投影规则构造新的子信号的幅值变化规律与原始子信号的幅值变化规律一致，也可以在此基础上按声波传播衰减规律、硬件引起的波形失真规律对幅值做补偿处理； (2)新的子信号的持续时间是通过原始子信号持续时间乘以时间变换系数得到；所述各个子信号对应的时间变换系数在同一次重构过程中相同； (3)新的子信号的中心频率匕是通过原始子信号中心频率&乘以频率变换系数至IJ，所述频率变换系数ξ i由自定义频率转换函数Fi = g(fi)给出·· ξ i = F1Zf10
3.根据权利要求I所述的宽频带超声波回波信号的重构方法，其特征在于，步骤3中所述的每个原始子信号投影方程为E1(0 = 4(0-r^/1'-t + (pio<t<^' 式中，Ei (t)为第i个原始子信号投影变换得到的子信号； Ai (t)为子信号的幅值随时间的变化规律； f*(x)为标准三角函数正弦函数(sin函数)或者余弦函数(cos函数)； f/为根据权利要求2所规定的投影规则得到新的子信号的中心频率； 炉为标准三角函数的初相位； Ti'为根据上述规定的投影规则得到新的子信号的持续时间为时间变量。
全文摘要
本发明涉及一种宽频带超声波回波信号的重构方法，可以实现高频超声波回波信号线性或者非线性地向其他频段的投影转换，为宽频带超声波回波信号在声纳导盲、物体探测等方面的应用提供了技术途径。涉及的重构方法的实施步骤为首先，采用多通道滤波器组将宽频带超声波回波信号分解为不同中心频率和有限带宽的子信号；其次，确定各个子信号幅值、持续时间、中心频率的投影规则；然后，检测每个原始子信号幅值变化规律、持续时间，利用标准三角函数，按照投影规则构造新的子信号；最后，对重构后的所有子信号进行合成处理，得到最终的回波信号。
文档编号G01S7/52GK102628941SQ20121006308
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者伍立春, 曹长龙, 杨洋, 王猛, 王茂森, 董永明, 陆建, 陈伟, 陈明霞, 黄顺斌 申请人:南京理工大学, 陈明霞